» » Стадии процесса изотермического переноса массы и условия его протекания
11.01.2015

Твердый металл может подвергаться интенсивному разрушению в жидкометаллической среде в изотермических условиях, даже если его растворимость невелика. Такое разрушение наблюдается в случае, когда вместе с ним в среде находится другой твердый металл, способный образовывать с первым интерметаллические соединения или твердые растворы.
Процесс изотермического переноса массы состоит из следующих основных стадий (рис. 37): растворение твердого металла А в жидкометаллической среде; перенос растворенного металла вместе с двигающейся средой или путем диффузии к поверхности малорастворимого металла В; взаимодействие металлов А и В, в результате чего образуется поверхностный слой интерметаллического соединения или твердого раствора. Первая стадия состоит, в свою очередь, из двух процессов: перехода атомов растворяющегося металла через межфазовую границу и диффузии через пограничную пленку. Два процесса включает в себя и третья стадия: диффузию металла А или В через поверхностный слой Aх Bу и химическое взаимодействие между ними. Любой из вышеназванных процессов может влиять на скорость изотермического переноса массы в целом. Поэтому на практике возможны случаи, когда скорость переноса определяется скоростью одного из этих процессов или какой-либо комбинацией нескольких из них.
Стадии процесса изотермического переноса массы и условия его протекания

На рис. 37 изображен случай изотермического переноса массы растворимого металла к нерастворимому. Примером может служить образование интерметаллических соединений на молибдене при переносе на него алюминия, наблюдаемое в жидком висмуте. Если в жидком металле растворимы оба металла А и В, то интерметаллическое соединение может образоваться не на поверхности одного из них, а в растворе. Такого рода взаимодействие наблюдалось между медью и алюминием в расплавленном свинце.
Разновидностью описанного выше процесса изотермического переноса является процесс выравнивания концентраций компонентов в двух сплавах, погруженных в жидкий металл. К числу процессов изотермического переноса массы относится также перенос неметаллических элементов, входящих в состав сплава. Наиболее распространенным среди них является перенос углерода от сталей, содержащих менее сильные карбидообразующие элементы, к сталям с более сильными карбидообразующими элементами. К этим процессам относится и перенос кислорода, азота и других неметаллических элементов от одного металла к другому, а также их перенос из газовой фазы через жидкий металл к твердому. Во всех этих случаях обязательно должны существовать две взаимодействующие фазы. Процесс взаимодействия твердого металла с этими же элементами, но содержащимися в виде примеси в жидком металле, не является изотермическим переносом массы, хотя результирующий эффект может быть тем же самым.
Частный случай изотермического переноса — соединение находящихся в контакте и погруженных в жидкий металл двух твердых металлов (так называемое самосваривание). Такое соединение возможно при хорошем контакте поверхностей взаимодействующих металлов; оно тем прочнее, чем с большей силой были сжаты поверхности.
Учитывая вышесказанное, условия протекания изотермического переноса массы в жидких металлах можно сформулировать следующим образом: во-первых, наличие двух разных твердых металлов в контакте с жидким металлом; во-вторых, способность их или входящих в их состав компонентов образовывать соединения или твердые растворы и, в-третьих, растворимость в жидком металле по крайней мере одного из взаимодействующих компонентов.
Стадии процесса изотермического переноса массы и условия его протекания

В результате изотермического переноса массы возможен ряд нежелательных явлений. Прежде всего, растворимый металл благодаря переносу будет подвергаться интенсивному растворению. На рис. 38 приводится зависимость потери веса алюминиевых образцов в результате коррозии в свинце при 460° С в статических и динамических условиях, а также при одновременном погружении в свинец медного образца. Видно, что скорость коррозии алюминия при наличии изотермического переноса массы значительно выше, чем в первых двух случаях; причем коррозионный процесс протекает непрерывно. Другой нежелательный эффект — изменение механических свойств поверхностного слоя нерастворимого металла. Если на его поверхности образуется слой интерметаллида, обычно это приводит к падению пластичности металлического образца в целом. H том случае, когда в жидком металле растворяются оба взаимодействующих твердых металла, кроме увеличения скорости их растворения нежелательным эффектом является засорение теплоносителя продуктами реакции, которые могут вызвать закупорку трубопровода, если перенос происходит в теплообменной установке. Наконец, эффект самосваривания может вызвать соединение деталей, которые должны свободно перемещаться относительно друг друга.
Таким образом, существование изотермического переноса массы ставит вопрос об определении возможности совместного использования в жидкометаллической среде различных твердых металлов. Вредное влияние переноса на эксплуатационные свойства материалов показывает, что не все конструкционные материалы могут работать совместно в определенных жидких металлах, т. е. не обладают совместимостью. Это обстоятельство должно обязательно учитываться при проектировании жидкометаллических систем.